Le notizie positive per il mercato della ricarica rapida continuano ad arrivare: il 27 gennaio, l'ultimo rapporto finanziario di Apple relativo al primo trimestre del 2021 ha mostrato che, grazie alla forte domanda di iPhone 12, il fatturato di iPhone nel primo trimestre è aumentato del 17% su base annua, raggiungendo la cifra record di 65.6 miliardi di dollari. Il fatturato di iPad nel primo trimestre è cresciuto del 40%, superando i precedenti record di dicembre. Apple ha effettuato ordini per oltre 90 milioni di telefoni cellulari nella prima metà dell'anno. L'analista di Apple Ming-Chi Kuo ha dichiarato ai media che Apple probabilmente lancerà 2-3 nuovi caricabatterie al nitruro di gallio in concomitanza con l'uscita dei nuovi iPhone e MacBook quest'anno, il che diventerà direttamente il motore di crescita per l'intera filiera del nitruro di gallio.

IDC prevede enormi opportunità di crescita per gli smartphone 5G nel 2021, stimando un raddoppio del mercato, da circa 200 milioni di unità nel 2020 a 500 milioni di unità. Xiaomi, Vivo e Huawei hanno lanciato in successione caricabatterie al nitruro di gallio per i loro smartphone 5G di punta. Quest'anno, nonostante l'epidemia di COVID-19 non sia stata completamente debellata, la didattica a distanza e il lavoro da remoto hanno stimolato la crescita del mercato dei laptop, e la domanda di caricabatterie al nitruro di gallio, in grado di garantire una ricarica più rapida, efficiente e leggera, ha iniziato a crescere.

Quest'anno, il mercato dei caricabatterie al nitruro di gallio ha raggiunto un punto di svolta nel suo sviluppo? Caricabatterie al nitruro di gallio da 20W, 65W e 100W sono stati lanciati uno dopo l'altro. Quali prodotti di potenza diventeranno i principali sul mercato? In che modo i produttori di chip al nitruro di gallio aiutano i produttori di terminali a lanciare prodotti a ricarica rapida? Come si sta evolvendo l'ecosistema della ricarica rapida al nitruro di gallio? Basandosi sulle più recenti esperienze dei consumatori, il giornalista ha intervistato Li Wenhui, Direttore Vendite di Nanos Semiconductor, Zhou Wei, Direttore Marketing di Innosec, Zou Yanbo, Responsabile Applicazioni di Prodotto, e Wu Xin, Responsabile Vendite di Nitrosilicon Technology. Hanno fornito approfondimenti sulle ultime tendenze di mercato e un'analisi delle soluzioni tecniche del settore.

Quando il mercato dei caricabatterie al nitruro di gallio raggiungerà un punto di svolta?

Nel 2018, Nanovi Semiconductor ha introdotto per la prima volta sul mercato la ricarica rapida al nitruro di gallio (GaN). Nel 2020, gli operatori del settore hanno constatato l'enorme potenziale del mercato dei dispositivi mobili. Più di 100 caricabatterie GaNFast sono stati immessi sul mercato in produzione di massa. La tecnologia GaN ha fatto il suo ingresso in mercati ad alta potenza come i veicoli elettrici, il 5G, i data center e l'energia solare.

Il 26 gennaio di quest'anno, Navitas Semiconductor ha annunciato ufficialmente di aver raggiunto un nuovo record nelle spedizioni di chip. L'azienda ha infatti consegnato con successo al mercato oltre 13 milioni di circuiti integrati di potenza al nitruro di gallio (GaN), senza registrare alcun guasto, a dimostrazione dell'accelerazione nell'adozione dei chip al nitruro di gallio da parte del mercato globale dell'elettronica di consumo mobile, necessaria per la ricarica rapida di dispositivi mobili e apparecchiature correlate.

Innosec, con sede a Zhuhai, in Cina, è uno dei tre principali fornitori mondiali di chip di potenza al nitruro di gallio a base di silicio. L'anno scorso ha spedito 4 milioni di chip al nitruro di gallio. Il direttore vendite di Innosec, Zhou Wei, ha dichiarato in un'intervista ad appassionati di elettronica che le spedizioni di chip al nitruro di gallio dell'azienda dovrebbero decuplicare quest'anno. Ha persino stimato, con ottimismo, che le spedizioni globali di nitruro di gallio dello scorso anno si aggiravano intorno ai 15 milioni di unità, mentre quest'anno si prevede che supereranno i 100 milioni di unità.

Poiché i consumatori hanno esigenze sempre più elevate in termini di qualità della vita, il mercato dei caricabatterie si trova ad affrontare una serie di sfide. Ad esempio, i consumatori desiderano caricabatterie più potenti e con velocità di ricarica più elevate. Allo stesso tempo, però, vogliono anche caricabatterie compatti ed eleganti, senza spendere una fortuna. Ciò ha creato numerosi problemi per produttori e progettisti, come ad esempio quelli relativi a efficienza, temperatura, interferenze elettromagnetiche (EMI), compatibilità con i protocolli dell'interfaccia di uscita e altro ancora.

Il nitruro di gallio (GaN), uno dei materiali principali dei semiconduttori di terza generazione, possiede tre caratteristiche fondamentali: elevata frequenza di commutazione, ampio band gap e bassa resistenza di conduzione. È cento volte più veloce della tradizionale tecnologia al silicio (Si) e, se utilizzato nei caricabatterie rapidi di ultima generazione, può raggiungere prestazioni di gran lunga superiori a quelle dei prodotti esistenti, triplicando la potenza di uscita a parità di dimensioni.

Immagine: Li Wenhui, direttore vendite di Navitas Semiconductor

Attualmente, i caricabatterie al nitruro di gallio incontrano due difficoltà principali nella promozione sul mercato. Li Wenhui, direttore vendite di Navitas Semiconductor, ha affermato: "Innanzitutto, la ricarica rapida GaN è una nuova tipologia di caricabatterie e l'accettazione da parte del mercato richiede un certo periodo di consolidamento; in secondo luogo, il prezzo dei caricabatterie al nitruro di gallio è più del doppio rispetto a quello dei caricabatterie tradizionali, e una riduzione dei prezzi è un prerequisito fondamentale per la loro diffusione. Nel 2018, il prezzo di un caricabatterie GaN da 45 W era di 60 dollari. L'anno scorso, il caricabatterie GaN da 65 W di Xiaomi ha raggiunto i 149 yuan (23 dollari), e persino i marchi di terze parti sono arrivati ​​a 99 yuan. Il nostro obiettivo è che entro la fine del 2022 il prezzo dei caricabatterie GaN e di quelli al silicio sia simile. Credo che, una volta raggiunto un livello di prezzo ragionevole, si assisterà a una svolta per il mercato."

Zhou Ji, direttore vendite di Innosec, è più ottimista. Ritiene che la svolta del mercato si vedrà tra circa un anno. Il prezzo dei caricabatterie GaN si sta avvicinando a quello dei caricabatterie al silicio e la svolta arriverà. Innosec ha avviato la produzione di massa del prodotto INN650D 02, il circuito integrato di potenza al nitruro di gallio di prima generazione, lo scorso anno. Il lancio del prodotto di seconda generazione è previsto per la prima metà di quest'anno. Le sue prestazioni sono state ulteriormente migliorate. Allo stesso tempo, è possibile produrre più dispositivi su un singolo wafer, riducendo i costi e aumentando la capacità produttiva. Tutti questi fattori rappresentano garanzie favorevoli per le spedizioni sul mercato.

Nella foto: Wu Junjun, responsabile vendite di Nitrosilicon Technology.

Wu Junjun, responsabile vendite di Nitrogen Silicon Technology, ha dichiarato ai giornalisti che i caricabatterie al nitruro di gallio (GaN) dovrebbero raggiungere un punto di svolta nel mercato entro due anni. Entro il 2023, i chip al nitruro di gallio non saranno diffusi solo nei caricabatterie, ma anche negli adattatori di corrente, negli alimentatori per l'illuminazione, negli alimentatori per televisori, ecc.

I caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W sono diventati di uso comune sul mercato, con il costo e la versatilità come due fattori chiave.

Secondo i dati di un sondaggio tra gli appassionati di elettronica, nel 2020 ben 18 produttori di telefoni cellulari hanno lanciato modelli con ricarica rapida al nitruro di gallio. OPPO, realme, Xiaomi, Nubia, Samsung, Lenovo e ZTE sono tutti entrati nel mercato della ricarica rapida al nitruro di gallio. Spinto dai marchi di telefonia mobile e da marchi di terze parti, il mercato della ricarica rapida al nitruro di gallio offre centinaia di prodotti con potenze da 20W a 120W e una vasta gamma di modelli. Inoltre, anche i produttori di notebook sono entrati nel mercato della ricarica rapida al nitruro di gallio, soprattutto con modelli ad alta potenza da 65W e oltre. Tra i marchi più rappresentativi figurano Lenovo, Asus, Dell e Xiaomi.

Di recente, Li Wenhui, direttore vendite di Navitas Semiconductor, ha dichiarato ai giornalisti: "Dalla seconda metà dello scorso anno, i caricabatterie GaN hanno iniziato a essere lanciati sul mercato in grandi quantità. Riceviamo ordini per 2-3 caricabatterie personalizzati ogni mese e il mercato dei prodotti di terze parti è in graduale crescita. I caricabatterie al nitruro di gallio con specifiche da 60W a 100W sono diventati progressivamente la soluzione dominante sul mercato."

La configurazione da 65 W per i caricabatterie al nitruro di gallio è diventata la più diffusa. Li Wenhui ha analizzato che ciò è dovuto principalmente a due fattori. In primo luogo, Xiaomi, OPPO e Huawei hanno lanciato sul mercato caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W, e questa tendenza ha trovato applicazione sul mercato; in secondo luogo, il requisito di potenza generale per gli adattatori per laptop è di 65 W e la maggior parte dei nuovi laptop utilizza porte USB-C. I caricabatterie al nitruro di gallio adottano design a due o tre porte, tenendo conto della porta USB-A, che può supportare un maggior numero di dispositivi mobili in fase di ricarica.

Parlando dei cambiamenti nel mercato della ricarica rapida, Zhou, direttore vendite di Innosec, ha sottolineato che USB PD e Type-C porteranno cambiamenti ai caricabatterie. L'anno scorso, la ricarica rapida Type-C e USB PD si è diffusa nei computer portatili. In particolare, nella seconda metà dell'anno scorso, anche i produttori di elettroutensili e piccoli elettrodomestici hanno iniziato a utilizzare la ricarica rapida USB PD. I principali produttori di telefoni cellulari e computer hanno iniziato ad avvicinarsi a questo standard. Inoltre, il consumo energetico dei telefoni cellulari 5G è aumentato significativamente. La capacità della batteria dei telefoni cellulari più diffusi raggiunge generalmente oltre 4,000 mAh. Un caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W può raggiungere una ricarica completa in 45 minuti e un livello di carica del 20-30% in 10 minuti, risolvendo il problema dell'ansia da ricarica.

Foto: Zou Yanbo, Product Application Manager di Innosec.

Zou Yanbo, responsabile delle applicazioni di prodotto di Innosec, ha analizzato che la configurazione da 65 W può diventare standard principalmente grazie alla richiesta di prodotti convenienti da parte di clienti e consumatori. Sebbene le prestazioni della ricarica rapida al nitruro di gallio da 100 W a 200 W siano state notevolmente migliorate, l'aumento del numero di circuiti stampati necessari comporterebbe un aumento delle dimensioni e un prezzo troppo elevato. Questa tecnologia è utilizzata principalmente per la ricarica di laptop da gioco e la domanda attuale non aumenterà in modo significativo.

Secondo i requisiti obbligatori della rete elettrica statale, gli alimentatori switching con una potenza superiore a 75 W devono essere dotati di un circuito PFC (Precision Factor Correction) per migliorare il fattore di potenza e le caratteristiche di carico. I caricabatterie ad alta potenza al nitruro di gallio devono necessariamente includere circuiti PFC, con conseguente aumento significativo del costo della distinta base (BOM). Tuttavia, i consumatori sul mercato ricercano prodotti con un buon rapporto qualità-prezzo. Un caricabatterie da 65 W è adatto alla ricarica universale di telefoni cellulari e laptop. Il costo del caricabatterie rimane entro limiti ragionevoli, il che favorisce la transizione dei consumatori dai caricabatterie al silicio a quelli di nuova generazione al nitruro di gallio.

I chip di nitruro di gallio di Innosec sono stati utilizzati in caricabatterie rapidi a porta singola da 100 W, caricabatterie rapidi multiporta da 100 W, caricabatterie rapidi ultrasottili a porta singola da 65 W, alimentatori per LED da 150 W, lidar a doppio canale e altri tipi di prodotti.

Immagine: dimostrazione di ricarica rapida multiporta da 100 W con chip Innosec.

Al CES 2021, la fiera online dedicata al settore, il caricabatterie Omega, dotato di due circuiti integrati di potenza NanoVis GaNFast (NV6127), si è aggiudicato il premio per l'innovazione. Si tratta del caricabatterie al nitruro di gallio da 200 W più piccolo al mondo, con dimensioni fino al 66% inferiori rispetto ai caricabatterie tradizionali. In termini di compatibilità, è compatibile con tutti i principali produttori, tra cui Apple, Samsung, Huawei, Qualcomm, OPPO e Vivo.

Figura: mini caricabatterie da 200 W con chip di potenza nanomicro

Wu Junjun, responsabile vendite di Nitrogen Silicon Technology, ha presentato ai giornalisti la serie di applicazioni per la ricarica rapida da 65 W, che comprende la ricarica rapida mini PD da 65 W, la ricarica rapida al nitruro di gallio 1A1C da 65 W e la ricarica rapida al nitruro di gallio 2C1A da 65 W. Tra queste, le versioni mini single C e 1C1A da 65 W sono prodotte in Cina e includono IC di controllo, rettifica sincrona e IC di protocollo, tutti di produzione nazionale. Inoltre, nel settore della ricarica rapida ad alta potenza da 120 W, dopo diversi mesi di ricerca applicativa, Nitrogen Silicon ha risolto con successo il problema di interferenza del circuito della ricarica rapida al nitruro di gallio con topologia PFC+LLC, lanciando una soluzione di ricarica rapida al nitruro di gallio 2C1A da 120 W.

Su Bilibili abbiamo visto il feedback di un consumatore:

Un giornalista soprannominato "Yijiu Wuqi" ha affermato che alla conferenza stampa di presentazione dello Xiaomi 11 non ha prestato molta attenzione ai telefoni Xiaomi. È rimasto invece profondamente colpito dal caricabatterie al nitruro di gallio da 65W di Xiaomi. Non appena la conferenza stampa è terminata, si è recato sul sito web ufficiale per ordinarlo.

Ha affermato che i punti critici dei caricabatterie tradizionali sono le dimensioni ingombranti, la necessità di un unico caricabatterie dedicato e la difficoltà di trasporto. Possiede diversi dispositivi e desidera soprattutto poterli caricare con un solo caricabatterie durante i viaggi di lavoro. Il caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W di Xiaomi ha dimensioni pari a solo un terzo di un tradizionale caricabatterie al silicio. Ha testato il caricabatterie al nitruro di gallio a porta singola di Xiaomi ed è rimasto generalmente soddisfatto delle prestazioni di ricarica. Inoltre, ha testato anche altri caricabatterie al nitruro di gallio a doppia porta presenti sul mercato e ha constatato che, durante la ricarica simultanea, la porta USB-A interrompeva la corrente, mentre la porta Type-C poteva essere utilizzata normalmente. Le due porte si influenzavano a vicenda. Infine, ha provato a utilizzare un caricabatterie al nitruro di gallio da 65 W per caricare un Apple Macbook Pro e non ha riscontrato problemi durante la navigazione in Internet, la visione di video e il montaggio video.

I chip al nitruro di gallio sono esauriti? La formazione di una catena ecologica dà slancio al mercato dei caricabatterie.

Il tasso di penetrazione del mercato degli alimentatori GaN è in graduale aumento e diversi produttori si stanno attivamente impegnando nella loro implementazione. Sebbene il mercato degli alimentatori GaN sia ancora relativamente piccolo rispetto al mercato degli alimentatori al silicio, che vale 32.8 miliardi di dollari, Yole prevede una crescita del 55% tra il 2021 e il 2023, raggiungendo un valore di 420 milioni di dollari nel 2023. Attualmente, i tre principali fornitori mondiali di soluzioni di ricarica rapida basate su chip di nitruro di gallio sono Navitas (Irlanda), Power Integrations (Stati Uniti) e Innosec (Cina).

Nell'ultimo trimestre dello scorso anno, la carenza di chip semiconduttori ha iniziato ad aumentare. Con l'inizio del 2021, la carenza nel settore dei chip non sembra mostrare segni di attenuazione. La carenza di MCU, chip Bluetooth, chip NOR Flash per auricolari TWS e chip per il settore automobilistico si sta diffondendo in tutto il mondo. Secondo gli esperti del settore, l'insufficiente capacità produttiva degli stabilimenti da 8 pollici persisterà fino alla fine del primo semestre di quest'anno. Per risolvere radicalmente il problema della capacità produttiva, i produttori di chip possono solo spostare gli ordini delle fonderie da 8 pollici alla produzione da 12 pollici. Un analista taiwanese ritiene che il problema globale della capacità produttiva da 8 pollici non migliorerà nella prima metà di quest'anno. Per i produttori di chip a valle, la quantità di capacità produttiva che riusciranno a ottenere dalle fabbriche di wafer influenzerà direttamente le prestazioni aziendali.

"Molti produttori di wafer hanno aumentato i prezzi quest'anno e la loro capacità produttiva è limitata. In particolare, quest'anno i caricabatterie al nitruro di gallio sono presenti sul mercato in grandi quantità. Come si presenta la fornitura di chip di potenza al nitruro di gallio?" Li Wenhui, direttore vendite di Navitas Semiconductor, ha risposto ai giornalisti: "Il chip al nitruro di gallio GaNFast lanciato da Navitas utilizza linee dedicate. Navitas è il cliente più importante della linea di produzione GaN di TSMC. Abbiamo sempre avuto una collaborazione di fornitura a lungo termine e i tempi di consegna rimangono invariati rispetto all'anno scorso. Xiaomi e OPPO riforniscono regolarmente e i consumatori possono acquistare caricabatterie che utilizzano chip di potenza al nitruro di gallio su scala nanometrica attraverso i canali di distribuzione abituali."

Gli esperti del settore hanno sottolineato che i prodotti di ricarica rapida al nitruro di gallio includono principalmente due componenti principali: un circuito integrato di gestione dell'alimentazione e un dispositivo di potenza discreto. Nello schema di smontaggio, si può notare che il caricabatterie è composto da quattro parti principali: il dispositivo di potenza al nitruro di gallio, il chip di protocollo e il chip di controllo principale, il chip raddrizzatore sincrono, nonché circuiti e condensatori. Li Wenhui, direttore vendite di Navitas Semiconductor, ha sottolineato che solo la collaborazione tra i produttori di chip di potenza al nitruro di gallio, i produttori di chip di protocollo, i produttori di chip di rettifica sincrona e i produttori di controller principali può promuovere la rapida crescita dell'intero mercato dei caricabatterie GaN. Ad esempio, un caricabatterie al nitruro di gallio 2A2C da 65W è dotato di 1-2 circuiti integrati di potenza + chip di controllo principale (ON Semiconductor/Xinyuan) + quattro chip di protocollo Cypress/Zhirong. Pertanto, lo sviluppo coordinato dell'intera catena industriale può garantire l'offerta e il circolo virtuoso del mercato dei caricabatterie al nitruro di gallio.

Per raggiungere un rapido sviluppo dei chip al nitruro di gallio in futuro, garantire la capacità produttiva è un prerequisito fondamentale. Zhou Yi, direttore vendite di Innosec, ritiene che solo adottando il modello IDM per integrare la progettazione e la produzione dei chip e ottenere il pieno controllo della catena di fornitura, le aziende cinesi di semiconduttori potranno risolvere i reali problemi di capacità produttiva.

Nel 2018, la capacità produttiva dello stabilimento di wafer da 8 pollici di Innosec a Zhuhai ha raggiunto le 4,000 unità al mese. A partire dal 2018, Innosec ha pianificato la costruzione di un impianto di produzione di wafer su scala più ampia. Il 19 settembre 2020, si è tenuta la cerimonia di inaugurazione delle attrezzature presso la base di semiconduttori di terza generazione di Innosec a Suzhou. Si prevede che, a pieno regime, lo stabilimento raggiungerà una produzione mensile di 65,000 wafer di nitruro di gallio a base di silicio da 8 pollici. La gamma di prodotti dell'azienda copre una serie completa di chip di nitruro di gallio da 30V a 650V. I prodotti forniranno componenti elettronici fondamentali per l'innovazione e lo sviluppo autonomo di settori strategici emergenti come le comunicazioni mobili 5G, i data center, i veicoli a energia pulita, la guida autonoma e la ricarica rapida dei telefoni cellulari.

Il rapido sviluppo di Innosec ha portato anche all'apertura della filiera nazionale dei chip al nitruro di gallio e dei chip periferici. Smontando un caricabatterie GaN da 20 W di Innosec, abbiamo scoperto che il chip di protocollo proviene da Huinengtai e il chip di controllo da Nanxin Semiconductor. Con il continuo ingresso di produttori nazionali, la filiera industriale del nitruro di gallio si è gradualmente consolidata, consentendo di raggiungere una fornitura su larga scala garantendo al contempo la qualità. Zhou ha rivelato che oltre 40 partner di Innosec hanno avviato la produzione in serie di caricabatterie al nitruro di gallio. Nei prossimi due anni, i volumi di produzione dei prodotti a bassa tensione al nitruro di gallio aumenteranno gradualmente. Oltre ai caricabatterie, i chip al nitruro di gallio hanno ampliato le loro applicazioni anche in ambito industriale, nei data center per l'intelligenza artificiale e nel settore lidar.

Attualmente, il GaN prodotto in Cina è sostanzialmente a basso consumo, principalmente per due motivi: da un lato, la soglia di processo per la produzione del GaN è molto elevata e la tecnologia non è ancora del tutto matura; dall'altro, anche il circuito integrato di gestione dell'alimentazione necessita di essere riprogettato e le soluzioni precedenti non possono essere semplicemente copiate. Molte start-up nazionali sono impegnate in questo settore, ma resta da vedere chi riuscirà a imporsi definitivamente. Il GaN utilizza materiali eteroepitassiali, il che pone grandi sfide in termini di progettazione e processi produttivi. A livello mondiale, esistono pochissime linee di produzione di GaN mature e su larga scala.

Il costo dei caricabatterie al nitruro di gallio (GaN) è il doppio di quello dei caricabatterie tradizionali, ma sta diminuendo a un tasso del 20-30% all'anno. Credo che, con l'arrivo sul mercato di caricabatterie standard al nitruro di gallio da parte di un numero crescente di produttori di telefoni cellulari come Apple, Huawei e Xiaomi, si apriranno nuove opportunità di sviluppo. I produttori con una solida competenza progettuale, una forte capacità tecnica e una comprovata capacità produttiva di GaN saranno in grado di conquistare una posizione di vantaggio in questo mercato estremamente competitivo.

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